Question

如圖所示，固定的豎直光滑金屬導軌間距為L，上端接有阻值為R的電阻，處在方向水平、垂直導軌平面向里的磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，質(zhì)量為m的導體棒與下端固定的豎直輕質(zhì)彈簧相連且始終保持與導軌接觸良好，導軌與導體棒的電阻均可忽略，彈簧的勁度系數(shù)為k。初始時刻，彈簧恰好處于自然長度，使導體棒以初動能E_k沿導軌豎直向下運動，且導體棒在往復運動過程中，始終與導軌垂直。

（1）求初始時刻導體棒所受安培力的大小F；

（2）導體棒往復運動一段時間后，最終將靜止。設(shè)靜止時彈簧的彈性勢能為E_p，則從初始時刻到最終導體棒靜止的過程中，電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱Q為多少？

 

Answer 1

【解析】（1）設(shè)導體棒的初速度為v₀，由動能的定義式

     得                                           

設(shè)初始時刻產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為E，由法拉第電磁感應(yīng)定律得：

                                                          

設(shè)初始時刻回路中產(chǎn)生的電流為I，由閉合電路的歐姆定律得：

                                                             

設(shè)初始時刻導體棒受到的安培力為F，由安培力公式得：

                                                       

（2）從初始時刻到最終導體棒靜止的過程中，導體棒減少的機械能一部分轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能，另一部分通過克服安培力做功轉(zhuǎn)化為電路中的電能，因在電路中只有電阻，電能最終全部轉(zhuǎn)化為電阻上產(chǎn)生的焦耳熱Q。

 當導體棒靜止時，棒受力平衡，此時導體棒的位置比初始時刻降低了h，則

                                                           

由能的轉(zhuǎn)化和守恒定律得：                             

                                                            

【點評】本題通過彈簧模型和導軌模型結(jié)合起來，考查學生運用法拉第電磁感應(yīng)定律、安培力、力的平衡、能量守恒定律等知識點處理相關(guān)問題。